關(guān)于基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影機(jī)的設(shè)計(jì)方法

引言

顯示技術(shù)正朝著大屏幕、高清晰度、高亮度和高分辨率的方向發(fā)展。通常說(shuō)來(lái)，將屏幕顯示面對(duì)角線尺寸在1米（40英寸）以上的顯示稱為大屏幕顯示。投影機(jī)作為一種重要的顯示設(shè)備，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了金融、教育、企業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域，它所具有的大幅面、高清晰多媒體演示功能，使信息的傳遞具有更好的效果。目前，市面上的主流產(chǎn)品是三片式LCD投影機(jī)和DLP投影機(jī)，其中，三片式LCD投影機(jī)的市場(chǎng)份額高達(dá)三分之二。

然而，投影機(jī)的主要采購(gòu)者絕大多數(shù)是政府部門、企業(yè)和高校。無(wú)論是三片式LCD投影機(jī)還是DLP投影機(jī)，其高昂的價(jià)格一直妨礙著投影機(jī)進(jìn)入普通家庭。為了簡(jiǎn)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低成本，本文給出了一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影機(jī)的設(shè)計(jì)方法。

1 投影原理

三片式LCD投影機(jī)的一般電路原理如圖1所示。由圖1可以看出，傳統(tǒng)LCD投影機(jī)的電路原理是把傳送過(guò)來(lái)的視頻信號(hào)通過(guò)彩色解碼，以產(chǎn)生R、G、B信號(hào)，然后通過(guò)視頻處理電路把該三基色信號(hào)加載在紅、綠、藍(lán)三只單色液晶屏上，最后加在三只單色投影管上，并經(jīng)三只單色投影管還原后，再把圖像通過(guò)光學(xué)透鏡放大幾十倍后由反射鏡反射到屏幕上，最后在屏幕上合成出彩色圖像。由此可以看出，由于三只投影管和投影鏡頭并非都正對(duì)屏幕放置，三種圖像信號(hào)還原到屏幕上所經(jīng)過(guò)的光路各不相同，而這必然導(dǎo)致R、G、B三色信號(hào)在屏幕上不能完全重合在一起，進(jìn)而引起會(huì)聚失真。

于是，本文從圖1的視頻處理電路和控制電路著手，設(shè)計(jì)了一種新的投影方式，即在一個(gè)液晶屏上呈現(xiàn)R、G、B三基色的單色圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)照射進(jìn)來(lái)的R、G、B三單色光進(jìn)行調(diào)制，然后經(jīng)過(guò)透射、折射以及圖像拉寬等光學(xué)系統(tǒng)的處理，最終在屏幕上形成彩色網(wǎng)像，該方法的原理圖如圖2所示。

通過(guò)圖2可以看出，該沒(méi)計(jì)的最大特點(diǎn)是在一塊LCD屏上分別顯示出R、G、B三基色圖像，并通過(guò)對(duì)單色光進(jìn)行調(diào)制來(lái)投影，而不像傳統(tǒng)的投影系統(tǒng)，要用三塊LCD屏分別顯示R、G、B基色圖像。

2 投影機(jī)系統(tǒng)電路

在投影機(jī)設(shè)計(jì)中，控制電路的作用是對(duì)輸入的視頻和數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行處理，以將其轉(zhuǎn)變成適合LCD屏顯示的信號(hào)。投影系統(tǒng)的電路部分如圖3所示。當(dāng)圖像信號(hào)由DVI接口傳送到DVI解碼芯片后，系統(tǒng)可將視頻信號(hào)分解成24位R、G、B單色信號(hào)以及相應(yīng)的控制信號(hào)，再通過(guò)FPGA組成的視頻信號(hào)處理電路進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過(guò)DVI編碼芯片恢復(fù)成DVI信號(hào)，最后送至液晶屏。

從系統(tǒng)電路的示意圖可知。以FPGA為核心（包括DVI解碼、編碼芯片在內(nèi)）的信號(hào)處理電路是整個(gè)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分，圖4所示是其數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和傳輸示意圖。從DVI解碼芯片進(jìn)入FPGA的數(shù)據(jù)包括8位并行R／G／B信號(hào)以及行、場(chǎng)控制信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。事實(shí)上，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻顯示，應(yīng)該對(duì)一幀（筆者使用的LCD屏所支持的最高分辨率為XGA，即1024×768）數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？墒?，如果對(duì)整幀數(shù)據(jù)一起處理，至少需要2 MB以上的外部存貯器來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，這樣既提高了成本，又增加了電路的復(fù)雜性。因此，在本設(shè)計(jì)中，筆者采用了一種新思路，即對(duì)輸入的視頻數(shù)據(jù)一行一行的進(jìn)行處理，并且在相鄰兩行的數(shù)據(jù)流處理中采用“乒乓操作”，這樣既可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，又簡(jiǎn)化了電路。具體操作如下：

① 通過(guò)模塊調(diào)用將FPGA的片內(nèi)RAM分為“RAM_A”和“RAM_B”；

② 在第一個(gè)行周期，將輸入的第一行數(shù)據(jù)流緩存到“RAM_A”：因?yàn)橐恍幸曨l信號(hào)有3K字節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)在LCD屏上三基色的分離，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，不能按照數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA的順序來(lái)存儲(chǔ)，而應(yīng)將紅色數(shù)據(jù)依次存放在第1至第1024個(gè)存儲(chǔ)單元，綠色數(shù)據(jù)存放在第1025至第2048個(gè)存儲(chǔ)單元，藍(lán)色數(shù)據(jù)則放在第2049至第3072個(gè)存儲(chǔ)單元，即將原來(lái)的象素“打亂”存放；

③ 在第二個(gè)行周期，按照步驟②中所描述的方法將第二行的視頻信號(hào)存入“RAM_B”，同時(shí)將“RAM_A”中所存的第一行視頻信號(hào)依次從I／O口讀出，再經(jīng)DVI編碼芯片編碼后送至LCD屏，即在讀出數(shù)據(jù)時(shí)“按序”讀取；

④ 重復(fù)步驟②、③，使讀、寫(xiě)操作交替在“RAM_A”和“RAM_B”間循環(huán)進(jìn)行，直至一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢。

此時(shí)，LCD屏上顯示數(shù)據(jù)的具體算法如圖5所示，即R1，2占據(jù)G1，1的位置（即第2個(gè)單元），R1，3占據(jù)B1，1的位置（即第3個(gè)單元），R1，4占據(jù)第4個(gè)單元，以此類推，直至1024個(gè)紅色數(shù)據(jù)在LCD屏上排列完畢，再開(kāi)始綠色數(shù)據(jù)，繼而是藍(lán)色數(shù)據(jù)。這樣便可達(dá)到圖2中在一塊LCD屏上分別顯示R、G、B圖像的目的。

本設(shè)計(jì)中所采用的FPGA是Altera公司CvclONe系列中的EP1C6Q240C8。該FPGA的片內(nèi)存儲(chǔ)器容量為90kbits，完全能夠勝任對(duì)分辨率為XGA顯示模式的視頻信號(hào)進(jìn)行行處理。如果要支持更高分辨率的投影模式或?qū)D像進(jìn)行整幀的處理，只需更換具有更大片內(nèi)RAM資源的FPGA或是在FPGA的I／O口外接片外存儲(chǔ)器。DVI解碼和編碼芯片分別選用Sil161和Sil164。

這種基于FPGA的控制器除可用投影機(jī)的視頻信號(hào)處理外，還可應(yīng)用于平板顯示中有關(guān)圖像的翻轉(zhuǎn)、截取以及象素的抽取等。其操作的關(guān)鍵是對(duì)數(shù)據(jù)讀、寫(xiě)地址的控制。

3 液晶屏的處理和光學(xué)調(diào)整

現(xiàn)在市面上的TFT液晶板都是有濾色膜的。本設(shè)計(jì)如果直接使用這種液晶板，那么當(dāng)R、G、B三單色光分別照射到R、G、B圖像區(qū)域的時(shí)候，濾色膜會(huì)吸收掉很大一部分光能，從而從投影亮度過(guò)低，無(wú)法達(dá)到應(yīng)用要求。因此，本設(shè)計(jì)中所采用的液晶板需去掉濾色膜或者沒(méi)有濾色膜的產(chǎn)品，以提高光源利用率和投影亮度。

由于視頻信號(hào)在LCD屏上分為R、G、B三個(gè)部分，因此，三基色圖像通過(guò)液晶板匯聚以后，會(huì)形成一幅高度和原圖像相等。寬度壓縮為原圖像三分之一的彩色圖像。這時(shí)，只需要一枚寬銀幕鏡頭即可將該壓縮圖像拉寬，從而使其恢復(fù)到正常圖像。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著家庭影院概念的普及，約來(lái)越多的消費(fèi)者希望在家中享受大制作影片所帶來(lái)的強(qiáng)烈震撼。然而，昂貴的投影機(jī)卻讓很多家庭望而卻步。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的高光效單片彩色LCD投影方式。不難看出，該投影系統(tǒng)將具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1） 一旦產(chǎn)業(yè)化，這種新型投影機(jī)的成本比其它的LCD投影機(jī)要低很多，因而易于進(jìn)入普通家庭；

（2） 集成度高，體積小，信息容量大，速度快；

（3） 光利用率顯著提高，從而提高了顯示質(zhì)量。